聚酰亞胺-磷腈前驅(qū)體多元素?fù)诫s碳材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、如今，由于全球城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，能源供應(yīng)已經(jīng)無法滿足日益增長的需求。能量存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)是解決能源危機、環(huán)境危機的關(guān)鍵所在。在各種儲能設(shè)備中（鋰離子電池、燃料電池和超級電容器），超級電容器以其特有的優(yōu)勢:超高的充放電速率、超長的周期壽命和循環(huán)穩(wěn)定性等，在實際應(yīng)用中具有很大的潛力。雖然超級電容器已經(jīng)取得了一些成果，但是他們的能量密度仍不如液流電池（20～80W h kg-1）和傳統(tǒng)電池(80～200W h kg-1)。因此，提高能源密度

2、、保持電力密度和循環(huán)穩(wěn)定性是超級電容器的主要問題。采用具有表面氧化還原反應(yīng)能力的電極材料，可以使能量密度顯著增加（10倍或更高）而功率密度和循環(huán)性能基本不受影響。其中，將雜元素（如氮、硼、硫、氟、磷等）引入碳骨架是現(xiàn)如今研究的重要方向;而且多元素?fù)诫s，如N與O或P元素還可以產(chǎn)生電化學(xué)協(xié)同作用。本論文以合成的含N元素聚酰亞胺及含P、N、O元素的磷腈材料為前驅(qū)體，碳化制備多元素?fù)诫s的碳材料。同時運用XRD、Raman、SEM、XPS、N2吸

3、附一脫附等測試方法對材料的結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)進(jìn)行了分析，并通過循環(huán)伏安(CV)、恒電流充放電(GCD)、電極交流阻抗等技術(shù)手段系統(tǒng)評估了其電容性能。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過精細(xì)調(diào)控聚酰亞胺(PI)與聚磷腈(PZ)（如苯氧基聚磷腈）的共混比例制備了具有高電化學(xué)性能的多元素（N、P和O）摻雜碳材料。聚磷腈與聚酰亞胺共混提高了聚合物的碳化程度、改善了碳材料的孔結(jié)構(gòu)。探究了PI和PZ的共混比例對PI/PZ碳材料的形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性

4、能的影響規(guī)律。當(dāng)PI和PZ共混比例為1∶0.3時制備的碳材料石墨化程度最高，電化學(xué)性能最好，在0.5A g-1電流密度下質(zhì)量比電容達(dá)到了528.4F g-1。
　　(2)選擇電化學(xué)性能較好的PI/PZ=1∶0.3前驅(qū)體，研究了碳化溫度對碳材料形貌、晶型以及雜元素含量的影響。在600-900℃范圍內(nèi)，隨著碳化溫度的升高，PI/PZ碳材料的石墨化程度升高，而雜原子保留率降低，其中900℃碳化的PI/PZ=1∶0.3-900碳材料具有最

5、高的石墨化程度。
　　(3)選擇電化學(xué)性能較好的PI/PZ=1∶0.3前驅(qū)體，碳化溫度為800℃，探究活化比例對PI/PZ=1∶0.3碳材料比表面積和電化學(xué)性能的影響?；罨壤秊?∶5時，比表面積最大為1767.25m2g-1，質(zhì)量比電容為435.6F g-1。
　　(4)通過調(diào)控聚酰亞胺(PI)與環(huán)磷腈(CP)共混比例制備了多元素(N、P、O)共摻雜碳材料，獲得了最佳的PI/CP前驅(qū)體比例。并與PI/PZ碳材料的電化學(xué)性能